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第五章 传感器
传感器
认识传感器
01
传感器的工作原理与应用
02
传感器的工作原理与应用
03
电磁波
探究
实验：干簧管的工作原理
探究能力：通过实验观察干簧管的工作原理.
理解能力：1.知道什么是传感器.
2.知道传感器的种类和应用.
应用能力：能够分别生活中传感器的分类.
01
KEQIANRESHEN
>>课前热身 夯实基础
一、神奇的传感器
1.楼道灯安装了 ，自动门安装了 ，酒精检测仪上安装了 。
2.传感器能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等被测量，并能把它们按照一定的规律转换为 的可用信号输出。通常转换成的可用信号是 、 等电学量，或转换为 。把 转换为 ，可以很方便地进行测量、传输、处理和控制。
声控—光控开关
红外线传感器
乙醇传感器
便于传送和处理
电压
电流
电路的通断
非电学量
电学量
二、传感器的种类
根据被测量的不同，可分为 等传感器；根据具体工作原理的不同，可分为 、
等传感器。
三、传感器的组成与应用模式
转换
元件
敏感
元件
信号调整与转换电路
执行机构
显示器
计算机系统
被测量
电信号
声、光、压力、位移、加速度、温度
电阻式、电容式、电感式、光电式、
热电式、压电式、磁电式
四、光敏电阻
1.光敏电阻是用 做成的，光照强度不同时电阻不同，光敏电阻是 中常见的光敏元件。
2.硫化镉是一种半导体材料，无光照时，载流子 ，导电性能差；随着光照的增强，载流子 ，导电性变好。
3.光敏电阻能够把 这个光学量转换为 这个电学量。
硫化镉
光传感器
增多
极少
光照强弱
电阻
五、金属热电阻和热敏电阻
1.除了光照以外， 也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。
和 就是传感器中常见的感知温度的敏感元件。
2.金属的电阻率随温度的升高而 ，用金属丝可以制作温度传感器，称为 。
3.有些半导体在温度上升时导电能力 ，因此可以用半导体材料制作 。
4.金属热电阻和热敏电阻都能够把 这个热学量转换为 这个电学量。
温度
金属热电阻
热敏电阻
热电阻
增强
热敏电阻
温度
电阻
增大
六、电阻应变片
1.金属导体在外力作用下发生机械形变(伸长或缩短)时，其电阻随着它所受机械形变的变化而发生变化的现象，称为金属的 。
2.除了金属电阻应变片外，常用的电阻应变片还有半导体电阻应变片，它的工作原理是基于半导体材料的 。
3.电阻应变片能够把 这个力学量转换为 这个电学量。
4.常用的一种力传感器是由金属梁和电阻应变片组成的，称为 力传感器。
电阻应变效应
压阻效应
物体形变
电阻
应变式
5.光敏电阻、热敏电阻、电阻应变片等电阻式传感器的工作共性是通过测量 的变化来确定外界非电学量的变化。
6.电容器的电容C决定于极板的正对面积S、极板间的距离d以及极板间的电介质这三个因素。如果某个物理量的变化能引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，那么，通过测定电容器的电容就可以确定这个物理量的变化，由此可以制成 传感器。
电阻
电容式
HEXINJIEYI
>> 核心解疑 夯实基础
02
1.传感器的工作流程
非电学量→敏感元件→转换元件→转换电路→电学量
2.传感器的组成
(1)敏感元件相当于人的感觉器官，是传感器的核心部分，是利用材料的某种敏感效应(如热敏、光敏、压敏、力敏、湿敏等)制成的。
(2)转换元件是传感器中能将敏感元件输出的，与被测物理量成一定关系的非电信号转换成电信号的电子元件。
(3)转换电路是将转换元件输出的不易测量的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、电阻等。
2、光敏电阻的特点及工作原理
(1)当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电能力明显增强。
(2)光敏电阻是用半导体材料(如硫化镉)制成的。它的特点是光照越强，电阻越小。它能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量。
3、热敏电阻和金属热电阻的特点
(1)热敏电阻：用半导体材料制成。
(2)金属热电阻：金属的电阻率随温度升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成温度传感器，称为热电阻。
热敏电阻 金属热电阻
特点 电阻随温度的变化而变化且非常明显 电阻率随温度的升高而增大
R-T 图像
制作材料 半导体 金属导体
优点 灵敏度好 化学稳定性好，测温范围大
作用 能够将温度这个热学量转换为电阻这个电学量 (3)热敏电阻和金属热电阻的区别
4、电容器的电容决定于极板间的正对面积S、极板间距d、极板间的电介质这几个因素。如果某个物理量(如角度θ、位移x、深度H等)的变化引起上述某个因素的变化，从而引起电容的变化，通过电容的变化就可以确定上述物理量的变化，这种电容器称为电容式传感器。
名称 传感器 原理
测定角度θ的电容式 传感器 当动片与定片之间的角度θ发生变化时，引起极板正对面积S的变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道θ的变化情况
测定液面高度h的电容式传感器 在导线芯的外面涂上一层绝缘物质，放入导电液体中，导线芯和导电液体构成电容器的两个极，导线芯外面的绝缘物质就是电介质，液面高度h发生变化时，引起正对面积发生变化，使电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道h的变化情况
常见电容式传感器
名称 传感器 原理
测定压力F的电容式 传感器 待测压力F作用于可动膜片电极上的时候，膜片发生形变，使极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，知道C的变化，就可以知道F的变化情况
测定位移x的电容式 传感器 随着电介质进入极板间的长度发生变化，电容C发生变化，知道C的变化，就可以知道x的变化情况
重点应用：霍尔效应
在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应。
由于霍尔效应使导体内所产生的电势差称为霍尔电势差，也称霍尔电压。
霍尔效应
传感器
2.霍尔元件的应用及原理1—测量磁场的大小
半导体的霍尔效应要强于导体。在一个很小的矩形半导体（如砷化铟）薄片上，制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件（如图）。在E、F 间通入恒定的电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则在M、N 间可出现霍尔电压UH。通过分析可知，霍尔电压UH与磁感应强度B有线性关系，因此利用霍尔元件可以测量磁感应强度的大小和方向。霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。
霍尔原件的工作原理
3.霍尔元件的应用及原理2—测量微小位移
在两块磁感应强度相同、同极相对放置的磁体缝隙中放入霍尔元件，当霍尔元件处于中间位置时，磁感应强度B为0，霍尔电压UH为0，可将该点作为位移的零点。当霍尔元件沿着±z方向移动时，则有霍尔电压输出，且电压大小与位移大小成正比，从而能够实现微小位移的测量。
利用霍尔元件测量微小位移
例1：压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是(　　)
A.从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
DIANLIJIEXI
>>典例解析 足本溯源
03
例1：压敏电阻的阻值随所受压力的增大而减小，有位同学利用压敏电阻设计了判断小车运动状态的装置，其工作原理如图甲所示，将压敏电阻和一块挡板固定在绝缘小车上，中间放置一个绝缘重球。小车向右做直线运动过程中，电流表示数如图乙所示，下列判断正确的是(　　)
A.从t1到t2时间内，小车做匀速直线运动
B.从t1到t2时间内，小车做匀加速直线运动
C.从t2到t3时间内，小车做匀速直线运动
D.从t2到t3时间内，小车做匀加速直线运动
解析：在0~t1内，I恒定，压敏电阻阻值不变，由小球的受力不变可知，小车可能做匀速或匀加速直线运动，在t1~t2内，I变大，压敏电阻阻值变小，压力变大，小车做变加速运动，A、B均错误;在t2~t3内，I不变，压力恒定，小车做匀加速直线运动，C错误，D正确。
答案：D
例2：如图所示，将一光敏电阻接入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针自左向右的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针自左向右的偏角变为θ'，则可判断(　　)
A.θ'=θ B.θ'<θ
C.θ'>θ D.不能确定
解析：光敏电阻的阻值随光照强度的增强而减小，用手掌挡住部分光线，阻值变大，指针自左向右偏转角度变小，故B正确。
答案：B
例3：如图所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变暗，发生这一现象的主要原因是(　　)
A.小灯泡的电阻发生了变化
B.小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C.电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D.电源的电压随温度发生了变化
解析：电阻丝的电阻率随温度的升高而增大，电阻也增大，电路中电流减小，根据P=I2R知，小灯泡的实际功率减小，所以变暗。
答案：C
例4.传感器是将能感受的物理量(如力、热、光、声等)转换成便于测量的量(一般是电学量)的一类元件，在自动控制中有相当广泛的应用，如图所示的装置是一种测定液面高度的电容式传感器。金属芯线与导电液体构成一个电容器，从电容C大小的变化情况就能反映出液面高度h的高低情况，则两者的关系是(　　)
①C增大表示h增大　 ②C增大表示h减小
③C减小表示h减小　 ④C减小表示h增大
A．只有①正确　　　 B．只有①、③正确
C．只有②正确 D．只有②、④正确
解析：液面高度的变化，相当于电容器极板正对面积的变化。当h增大时，相当于正对面积增大，则电容应增大；当h减小时，相当于正对面积减小，电容C应减小，B正确。
答案：B　
ZOUJINGAOKAO
>> 走近高考 身临其境
04
（2022年北京卷）某同学利用压力传感器设计水库水位预警系统。如图所示，电路中的和，其中一个是定值电阻，另一个是压力传感器（可等效为可变电阻）。水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。当a、b两端的电压大于时，控制开关自动开启低水位预警；当a、b两端的电压小于（、为定值）时，控制开关自动开启高水位预警。下列说法正确的是（　　）
A．
B．为压力传感器
C．若定值电阻的阻值越大，开启高水位预警时的水位越低
D．若定值电阻的阻值越大，开启低水位预警时的水位越高
【答案】C
【解析】AB．题意可知水位越高，对压力传感器的压力越大，压力传感器的电阻值越小。控制开关自动开启低水位预警，此时水位较低，压力传感器的电阻值较大，由于a、b两端此时的电压大于 ，根据串联电路电压分部特点可知， 为压力传感器，故高水位时压力传感器的电阻值越小， 压力传感器两端电压变小， ，AB错误；
CD．根据闭合电路欧姆定律可知，a、b两端的电压为
若定值电阻的阻值越大，当开启低水位预警时a、b两端的电压大于 时， 压力传感器阻值需要越大，则水位越低；当a、b两端的电压小于 时开启高水位预警时， 压力传感器阻值需要越大，则水位越低。C正确，D错误。
故选C。
SUITANGYANLIAN
>> 随堂演练 精准提升
05
1 ．在一些星级宾馆的洗手间经常装有自动干手机，洗手后将湿手靠近，机内的传感器就开通电热器加热，有热空气从机内喷出，将湿手烘干。手靠近自动干手机能使传感器工作，是因为(　　)
A ．改变温度
B ．改变湿度
C ．改变磁场
D ．改变电容
D
2 ．(多选)传感器担负着信息采集的任务，它可以(　 　)
A ．将力学量(如形变量)转变成电学量
B ．将热学量转变成电学量
C ．将光学量转变成电学量
D ．将电学量转变成力学量
ABC
3 ．(多选)在温控电路中，通过热敏电阻阻值随温度的变化可实现对电路相关物理量的控制。如图所示电路，R1为定值电阻，R2为半导体热敏电阻(温度越高电阻越小)，C为电容器。当环境温度降低时(　　)
A ．电容器C的带电荷量增大
B ．电压表的读数增大
C ．电容器C两板间的电场强度减小
D ． R1消耗的功率增大
AB
4．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是(　　)
A．应变片是由导体材料制成的
B．当应变片的表面拉伸时，其电阻变大；反之变小
C．传感器输出的是应变片电压
D．外力越大，输出的电压差值越小
B
5 ．霍尔元件是实际生活中的重要元件之一，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图所示为一长度一定的霍尔元件，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于霍尔元件的工作面向下，在元件中通入图示从E到F方向的电流I，其中元件中的载流子是带负电的电荷，下列说法中正确的是(　　)
A．该元件能把电学量转化为磁学量
B．该元件C面的电势高于D面的
C．如果用该元件测赤道处地磁场的磁感应强度，应保持工作面水平
D．如果流过霍尔元件的电流大小不变，则元件C、D面的电势差与磁场的磁感应强度成正比
D

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